(整理)復合材料設(shè)計與分析軟件的介紹

1、復合材料設(shè)計與分析軟件的介紹1引言復合材料以其高強輕質(zhì)、性能各向異性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性等特點，廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域。但復合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復雜，性能分散性大，這些問題和缺陷使復合材料的進一步推廣應用遇到了阻礙。為解決上述問題，多種復合材料設(shè)計、分析軟件被開發(fā)、運用于復合材料的設(shè)計和制造中，大大的方便了復合材料的分析、設(shè)計過程，本文介紹LarrunateTools、ESAComp、SYSPLY、FiberSIM四種軟件的主要優(yōu)越性及其在復合材料分析、設(shè)計過程中所發(fā)揮的作用。2 LaminateTools軟件（簡稱LT）LaminateTools是由英國Anaglyph軟件公司推出

2、的獨具特色的一教軟件，它集復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和制造于一身，LaminateTools由顯示、設(shè)計、分析、檢查以及制造工藝5個功能模塊組成，分別涵蓋了三維模型可視化顯示、材料鋪層等信息建立與編輯、層合板性能生成、商業(yè)化有限元軟件結(jié)果可視化檢查以及制造工藝信息及下料圖形的輸出。LaminateTools主要功能：2.1顯示模塊顯示模塊的界面如圖1所示。圖1顯示模塊界面LaminateTools可以讀取包括：行業(yè)標準*.Layup文件，NASTRAN的*.nas、*.bdf及*.fem等輸入文件，Ansys的*.cdb文件，F(xiàn)iberSIM的*.fml數(shù)據(jù)文件，以及CAD的STL格式文件；以多種

3、模式和多視角顯示模型網(wǎng)格，有透視圖、剪切視圖、拾取視圖、印刷視圖等；LarrunateTools的顯示模塊能夠顯示材料特征，覆蓋和量化使用方法；顯示單層覆蓋、纖維取向、鋪覆圖案、平面樣板圖、邊界、材料、物理和鋪覆特征和源于每層的鋪層；顯示偏移定義；顯示厚度分布；顯示每個有限元層合特性細節(jié)。2.2設(shè)計模塊LaminateTools的設(shè)計模塊能夠創(chuàng)建和修改材料、單層、偏置和鋪層，處理結(jié)構(gòu)中所有與復合材料相關(guān)的問題；并可使用子層，以隔開結(jié)構(gòu)部件；鋪覆選擇，包括開口、同一單層中不同部分鋪覆順序、織物尺寸限制和種子曲線限制等，以跟隨特定結(jié)構(gòu)特征。2.3檢查模塊該模塊能提供快速和便捷的有限元分析結(jié)果后處理

4、。讀取ANSYS結(jié)果文件（*.rst）進行后處理；在不需要有限元重新求解的前提下對整個鋪層結(jié)構(gòu)進行小的修正和交互顯示重分配層的應力和失效計算；通過逐層的單元厚度、輸出應力和失效指數(shù)等的曲線，清楚標識出重要應力分量和問題點；輸出原始全局層的任意結(jié)果曲線，讓載荷路徑顯得清晰和正確的解釋優(yōu)化策略；檢查模塊能夠使設(shè)計師立即領(lǐng)會任何工況（或多工況）對層合復合材料分析模塊可以寫入包括所有層合板信息的NASTRAN或者ANSYS格式的輸入文件，也即轉(zhuǎn)換鋪層信息到有限元特性，為分析做準備?；谠O(shè)計模塊創(chuàng)建的鋪層信息，或者從*.Layup文件直接讀取，或者通過FiberSIM的文件（設(shè)計模塊）導入，創(chuàng)建層合板特

5、性數(shù)據(jù)進行有限元分析。2.5制造模塊該模塊主要功能包括：導出到模具表面以用于CAD；處理多種已存在的平面樣板圖鋪覆在模具上，支持有限寬度重疊窄條的創(chuàng)建并導出到CAD系統(tǒng)；導出表格格式的完整或者部分單層信息表，以及單層鋪覆的圖表和特征，可以輸出到標準HTML格式（網(wǎng)頁瀏覽格式），以達到最大兼容性，或者針對公司的特定定制導出到微軟WORD（可選）格式。LaminateTools橋接了復合材料設(shè)計、分析和制造的整個流程，強大的可視化功能使其在審核設(shè)計和查明材料特性需要審杏的問題區(qū)域時極具使用價值，創(chuàng)建復雜層合板的功能使其在處理大量鋪層信息時極其有用，創(chuàng)建并輸出單層信息表的功能使其在逐層檢查和鋪層可視

6、化上極具優(yōu)勢。3 ESAComp軟件ESAComp是由芬蘭赫兒辛基大學輕型結(jié)構(gòu)材料實驗室，開發(fā)的一款專業(yè)復合材料設(shè)計、分析軟件，它具有基于微觀力學分析的廣泛的實體/夾層板分析、設(shè)計能力，而且包含了針對單層板、層壓板、加筋板、梁和柱體，以及膠接和機械連接等等各種復合材料結(jié)構(gòu)形式、連接形式的分析工具。ESAComp主要功能：3.1分析功能一般的微觀力學關(guān)系在精確模擬復合材料行為時有很多缺陷，因此在實際的設(shè)計工作中，需要使用更可靠的單層的試驗測試數(shù)據(jù)。ESAComp提供了基體的混合率公式來預測工程常數(shù)和各種膨脹系數(shù)。而且，用戶還可以定義專門的微觀力學分析模型，見圖3。圖3可以在不同的坐標系統(tǒng)下來研究

7、層合板單層的應力或應變3.2設(shè)計功能層合板結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常是對不同材質(zhì)、層厚度和鋪層方式的組合進行試選找到合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。雖然材質(zhì)組合和層合板鋪層方式有無限多種可能，但是實際考慮通常局限在設(shè)計空間的范圍之內(nèi)。ESAComp程序分析同數(shù)據(jù)庫以及許多結(jié)果數(shù)據(jù)估計的方法一起支持該種類型的交互式設(shè)計方法。3.3銜接功能ESAComp程序提供了同主流有限元ABAQUS、ANSYS、I-DEAS、MSC.Nastran和NISA的雙向交互界面（見圖4）。ESAComp支持有限元程序中的層殼單元。對于一些有限元軟件包，ESAComp同樣支持其使用普通的殼單元。在這種情況下，ESAComp程序輸出層合板剛度矩陣

8、而不是材料數(shù)據(jù)和鋪層方式。有時使用有限元軟件的實體模型對層合板結(jié)構(gòu)進行非常詳細地分析。3.4擴展功能此功能中用戶可以使用CLIPS語言來定義附加的失效準則和微觀力學模型；通過批處理模式在其它軟件中運行；ESAComp具有友好的圖形化用戶界面，多重分析和圖形化結(jié)果顯示，多級別的專業(yè)數(shù)據(jù)庫，而且有強大的層合板分析功能；專業(yè)的復合材料設(shè)計能力；成熟的有限元接口和完備的失效準則。圖4針對ANSYS程序的ESAComp交互界面4 SYSPLY軟件SYSPLY是由COMPOSIC公司開發(fā)的一款軟件，它能夠提高復合材料制品的結(jié)構(gòu)分析能力，可使大部分的建模過程自動化，用戶只需對各層面進行工作而不必考慮個別獨立

9、因素，SYSPLY能觀察層壓材料等應力圖，以及檢視層間分離現(xiàn)象。它是設(shè)計、分析和優(yōu)化復合材料結(jié)構(gòu)的專業(yè)軟件。SYSPLY主要功能：4.1CAD數(shù)據(jù)輸入/輸出和網(wǎng)格劃分SYSPLY內(nèi)嵌的網(wǎng)格劃分器能自動讀入外部的CAD數(shù)據(jù)，并進行快速的幾何清理和幾何修復能自動生成2D和3D網(wǎng)格，并以ASCII格式輸出，可以對節(jié)點和單元進行分組，稱為sub-groups，邊界條件和載荷條件可以定義在這些sub-groups上，以后的計算變成網(wǎng)格無關(guān)，可以在同一個有限元輸入中反復使用。4.2復合材料的設(shè)計優(yōu)化SYSPLY的多物理場后處理能力為深入了解鋪層的力學特性提供了方便。通過膜、彎曲和扭轉(zhuǎn)模塊可以研究特定的載荷

10、條件。多重失效準則法能提供各個連續(xù)層的等效應力值，通過顯示沿厚度方向的應力值（圖5）,設(shè)計人員可以快速找到危險區(qū)域，然后可以得到每一層的臨界失效結(jié)果。圖5應力值顯示SYSPLY求解器提供了廣泛的處理能力，包括：線性力學（殼和實體）、非線性力學（僅殼）動力學分析°SYSPLY的鋪層編輯器通過一個等效力學特性的連續(xù)顯示來生成一個圖形化的鋪層布置序列。鋪層是通過單層板或子鋪層來建立，沒有層數(shù)目限制。單層板的詳細信息可以馬上檢查，而層板在某一點的堆疊可以通過橫截面來顯示，如圖6。圖6SYSPLY鋪層編輯器4.3用戶友好和流程驅(qū)動的特點SYSPLY簡化了材料和幾何的關(guān)聯(lián)，通過包含自動鋪層和卷繞

11、選項來集成加工過程。在結(jié)構(gòu)上層板的方向與鋪層方向解耦，兩者都可以在殼元上用圖形顯示。SYSPLY專門的有限元算法，廣泛的單元種類使得用戶可以在設(shè)計過程的每個階段采用恰當?shù)姆椒?；多?D和3D單元；包含各種耦合效應的橫向剪應力計算；2D和3D單元網(wǎng)格組合。SYSPLY使工程師可以在復合材料進行復雜加工前，方便地計算其鋪層特性，諸如纖維纏繞，鋪層等。它可以幫助企業(yè)加快設(shè)計流程，并通過減少材料浪費和樣機測試數(shù)目來達到降低成本的目的。5 FiberSIM軟件FiberSIM是由美國VISTACY公司設(shè)計開發(fā)的一款復合材料設(shè)計軟件，它獨有的復合材料仿真技術(shù)支持整個復合材料的工程過程。使用FiberSIM

12、軟件，工程師能快速可視化鋪層形狀和纖維方向，在設(shè)計階段即發(fā)現(xiàn)制造問題并采取相應的糾正措施。從初步設(shè)計、詳細設(shè)計直至制造車間，在FiberSIM的幫助下，設(shè)計師很容易創(chuàng)建準確的設(shè)計、工程圖以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)整個過程中的轉(zhuǎn)換。FiberSIM主界面如圖7。FiberSIM主要功能圖7FiberSIM主界面5.1采用模型樹形式通過專有的層次樹有組織、分層次地組織復合材料數(shù)據(jù)，可精確表達復合材料零件特征，用戶可定義復合材料設(shè)計過程的每步的必要信息，并可觀察所有層以及層合板的總體信息。這種清晰的有組織的復合材料數(shù)據(jù)的表達形式，可使用戶方便定義及修改復合材料數(shù)據(jù)。5.2具有全局編輯功能具有全局編輯功能，編輯ACEE數(shù)據(jù)。如用戶需要改變200個區(qū)域的材料和方向，使用全局編輯功能可以同時對200個區(qū)域進行操作，而無需逐個去更改。5.3強大的材料庫及完善的數(shù)據(jù)接口軟件材料庫包括很多信息，如：材料寬度、厚度、變形警告角度、極限角度、結(jié)構(gòu)形式（單向或編織）、彈性模量、泊松比、剪切模量等。可以方便對材料庫進行增加和修改材料。它還包含多種數(shù)據(jù)接口，無需第三方軟件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就可以向分析、制造等軟硬件設(shè)各傳輸數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的準確性。FiberSIM是一個可以實現(xiàn)復合材料數(shù)字化設(shè)計制造一體化的軟件，它與CAD軟件緊密集成，實現(xiàn)了設(shè)計和分析